CN105207621A - 嵌套电容加载线圈谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了嵌套电容加载线圈谐振器，包括谐振单元和驱动单元，驱动单元设置在谐振单元的中心位置，谐振单元围绕驱动单元设置，谐振单元由电容加载导体线圈嵌套而成，电容为相分离的电容或电容网络组，导体线圈为不少于两圈的线圈，电容连接导体线圈，使多个相分离的电容加载导体线圈具有相同或相近的固有谐振频率实现共振；电容加载导体线圈中除去半径最大的电容加载导体线圈外，其他多个电容加载线圈嵌套设置在半径最大的电容加载导体线圈的毗邻区内；通过上述的技术方案，大大提高空间利用率和谐振器的品质因数，打破传统谐振器的结构对性能的制约。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件技术领域，具体而言，涉及一种应用在无线功率传输技术中的边缘密集嵌套电容加载线圈谐振器。
背景技术
如今，笔记本电脑、手机、平板电脑和嵌入式设备等高便携性电子设备在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，这些电子设备及配件的供电高度依赖电池，尽管亚微米级加工技术的进步已使低功耗电子设备获得了快速持续发展，但是这些便携电子设备的功能也在日益增加，使得总体能源消耗难以下降，便携电子设备往往因为电池供电不够持久而很难发挥出全部潜能，其便利性也因频繁充电或更换电池而大打折扣。此外，对于那些不能接有线充电器的设备来说，比如生物医学领域的人体植入设备，其电池的更换需要通过外科手术来实现，而通过无线可充电电源可以使病人尤其是老年人避免进行这种危险性较高的外科手术。同时，由于人体和日常生活中广泛使用的各种材料与电场有较强的相互作用，而与磁场只有微弱的相互作用，这使得采用磁耦合技术的无线功率传输系统对人体的安全性较高，而对设备正常工作的环境要求比较低，因此，采用磁耦合技术的无线功率传输系统成为了近年的研究热点。
磁耦合技术的无线功率传输分为两类，非谐振的磁耦合无线功率传输技术和谐振的磁耦合无线功率传输技术。非谐振的磁耦合无线功率传输技术具有安全、低成本、中低功率和短距离(通常小于0.1倍的谐振器的直径)的特点，传输距离的限制使得非谐振的磁耦合无线功率传输技术的应用领域颇为受限。谐振的磁耦合无线功率传输技术通过使用高Q值的谐振器，使无线功率传输距离达到2到3倍谐振器的直径，大大超过了采用非谐振的磁耦合无线功率传输技术的设备的传输距离，从而实现了对多个移动目标进行大范围、多角度、高效率和较低成本的安全供电。
谐振器的性能在谐振的磁耦合无线功率传输技术中至关重要。非用于无线功率传输领域的谐振器多为封闭结构，谐振器之间的耦合需通过一些技术手段进行抑制，这类谐振器的品质因数，即Q值为最重要的技术指标。用于无线功率传输的谐振器位于开放空间，通过谐振器之间的耦合传递能量，因此谐振器间的耦合系数需要通过一些技术手段进行增强和优化。磁耦合谐振式无线功率传输设备的效率由谐振器间的耦合系数与谐振器的Q值的积及谐振器共振频率决定，因此耦合系数与Q值同为无线功率传输系统最重要的技术指标。
谐振的磁耦合无线功率传输技术是基于高Q值高耦合系数的谐振器实现的。被广泛用于磁耦合无线功率传输技术的三维螺旋线圈谐振器是高Q值谐振器的一个最典型的代表。其线圈依靠各匝导线之间的分布电容与分布电感的相互作用来实现共振，比如MIT相关科研人员在《Science》刊登的文章中的0.6m直径的等距离螺旋谐振器。三维线圈的耦合系数主要取决于线圈匝数和线圈直径；同时其谐振频率主要取决于直径、匝数和线圈节距；线圈的导体损耗由导线的材料、长度和直径决定；而线圈的辐射损耗由直径决定。通过研究可以发现这种谐振器的线圈节距对谐振频率的影响较强而对耦合系数的影响较弱，这意味着调整三维线圈的节距来控制谐振频率，同时几乎不影响无线功率传输中三维线圈的耦合系数和Q值两个关键参数。因此，三维螺旋线圈谐振器实现了高耦合系数和高Q值从而作为核心部件被广泛应用在中距离无线功率传输系统中。这种谐振器最大的问题是其所占空间较大，尤其在中远距离的无线功率传输系统中，过于庞大的三维螺旋线圈谐振器直接导致了无线功率传输设备难以商用。因此越来越多的研究人员把目光投向了二维平面谐振器的研制工作，目前的二维螺旋谐振器主要有平面螺旋谐振器和电容加载环谐振器两种。
平面螺旋谐振器是一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其各匝线圈具有不同的半径。由于平面空间的局限性，导致平面线圈的节距对耦合系数影响很大，这一点与三维螺旋线圈有很大不同。由于在最佳频率条件下不能使耦合系数和Q值同时达到最优，并且沿导线正弦分布的电流更靠近谐振器的中轴线，进一步降低了二维线圈的电感。这些原因造成了二维线圈能达到的耦合系数和Q值要比三维线圈要低很多。
平面电容加载环谐振器是另一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其是由单金属环端接低损耗电容实现谐振，可以在给定谐振器直径的条件下，通过采用恰当电容达到最佳谐振频率，但由于单金属环并未充分利用二维平面空间，自感和互感都较低，从而使得耦合系数和Q值要比三维谐振器低很多。
以上两种平面谐振器的功率传输效率在传输距离等于两倍谐振器直径处远远低于相应的三维螺旋谐振器，形成了谐振的磁耦合无线功率传输技术的一个瓶颈。
因此，需要一种新的技术方案，可以解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，打破谐振器的关键参数对性能的制约，从而提高传输功率，优化谐振器的性能。
发明内容
本发明解决现有技术中的问题，公开了可以解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，打破谐振器的关键参数对性能的制约，从而提高无线功率传输效率，优化谐振器的性能的嵌套电容加载线圈谐振器。
本发明公开了嵌套电容加载线圈谐振器，包括谐振单元和驱动单元，所述谐振单元包括多个相分离的电容加载导体线圈，所述多个相分离的电容加载导体线圈具有相同或相近的固有谐振频率，所述电容加载导体线圈包括一个不少于两匝的导体线圈和与线圈两端相连的加载电容，所述驱动单元包括端口和至少一匝的线圈，所述端口与线圈相连，所述驱动单元间隔围设于谐振单元外侧或者谐振单元间隔围设于驱动单元外侧。所述电容加载导体线圈中除去半径最大的电容加载导体线圈外，其他多个电容加载线圈嵌套设置在半径最大的电容加载导体线圈的毗邻区内，所述毗邻区为靠近所述半径最大的电容加载线圈内侧方向，且径向宽度为半径最大的电容加载导体线圈半径的0.32倍，其与半径最大的电容加载线圈的平面垂直方向，且到最大的电容加载线圈的平面距离为最大线圈的半径的0倍至0.5倍的区域。
作为本发明进一步限制地，所述最大半径的电容加载导体线圈与位于毗邻区中的其他多个电容加载导体线圈的表面积总和，占所有嵌套电容加载线圈谐振器的表面积的2/3以上。
作为本发明进一步限制地，所述电容加载线圈谐振器的共振频率与最大半径电容加载导体线圈的半径之积小于0.8×107m.Hz。
作为本发明进一步限制地，所述电容加载导体线圈采用不同半径，所述电容加载导体线圈的两圈中间无其他任意电容加载导体线圈的导线。
作为本发明进一步限制地，所述线圈由截面包括圆形的导线，薄金属带或其他截面形状的导线绕制而成。
本发明的有益成果在于：本发明的一种嵌套电容加载线圈谐振器，解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，采用多线圈边缘嵌套及电容加载结构，打破了谐振器的耦合系数、品质因数及谐振频率对性能的制约，从而使功率传输效率大幅度提高，优化了谐振器的性能。
附图说明
图1是嵌套电容加载线圈谐振器的实施例1的线圈结构示意图；
图2是嵌套电容加载线圈谐振器的实施例1的总体结构示意图；
图3是本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载线圈谐振器的毗邻区垂直于线圈平面的截面图。
图4是本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载线圈谐振器的毗邻区在线圈平面的截面图。
图中：谐振单元1，电容10，谐振单元导体线圈11，驱动单元2，驱动单元线圈21，端口22，最大线圈最外侧导线边界3，最大线圈毗邻区4。
具体实施方式
一种嵌套电容加载线圈谐振器的实施例1。
为了清晰起见，将图2所示的实施例1的总体结构示意图中的线圈结构单独在图1中示出。
如图1和图2所示，嵌套电容加载线圈谐振器，包括谐振单元1和驱动单元2，所述驱动单元2设置在谐振单元1的中心位置，所述谐振单元1围绕驱动单元2设置，所述谐振单元1由电容10加载导体线圈11嵌套而成，所述电容10为相分离的电容或电容网络组，所述导体线圈11为两圈的导体线圈，所述电容10连接导体线圈11，使多个相分离的电容加载导体线圈具有相同或相近的固有谐振频率实现共振；所述电容加载导体线圈中除去半径最大的电容加载导体线圈外，其他多个电容加载线圈嵌套设置在半径最大的电容加载导体线圈的毗邻区内，所述毗邻区4为靠近所述半径最大的电容加载线圈内侧方向，且径向宽度为半径最大的电容加载导体线圈半径的0.32倍，即如图3和图4所示，设毗邻区4径向宽度为D，D即为半径最大的电容加载导体线圈半径的0.32倍；其与半径最大的电容加载线圈的平面垂直方向，且到最大的电容加载线圈的平面距离为最大线圈的半径的0倍至0.5倍的区域，即如图3所示，设毗邻区在半径最大的电容加载线圈的平面垂直方向的两对称边界的间距为L，L即为1倍最大电容加载线圈的半径；如图2所示，所述驱动单元2包括导体线圈21和端口22，所述端口22连接线圈21，端口22通常为电子系统的功率发射或接收端口。这样设置，嵌套电容加载线圈谐振器，其谐振单元由若干个分离的低损耗电容加载金属线圈在最大电容加载金属线圈的毗邻区内嵌套而成，多个电容加载金属线圈具有不同的直径，每个线圈都为两圈，嵌套电容加载线圈谐振器的驱动单元为与功率源直接相连的导体回路，且驱动单元位于各分离的电容加载线圈中。这样设置，谐振器内各电容加载线圈是否位于所述最大电容加载线圈的特殊毗邻区内决定了电容加载导体线圈能否有效提升谐振器的功率传输效率。共振工作的多线圈谐振器，相对于只有其中一个电容加载线圈的单线圈谐振器，有更大的金属表面积从而能有效降低导体损耗，从而提高谐振器的Q值。然而谐振器中的电容加载线圈按直径大小相互嵌套时，会使电流分布向谐振器中心靠近，从而降低了谐振器间的耦合系数。因此谐振器的最大电容加载线圈有一个特殊的毗邻区，在该区域增加电容加载导体线圈的个数使谐振器的Q值提高得较多而使耦合系数降低得较少，从而耦合系数与Q值的积是增加的，最终使得谐振器间的无线功率传输效率得到提升。本发明通过在毗邻区内在最大电容加载线圈边缘密集嵌套多个共振的电容加载线圈，每个线圈单元的圈数相对于传统平面螺旋谐振器少得多，每个线圈单元的频率通过线圈两端的加载电容调节，摆脱了传统平面螺旋线圈谐振器的电感和工作频率之间的制约关系，使得谐振器的电感和工作频率可以同时得到优化。此外，采用PCB印刷技术的平面螺旋谐振器，介质基板的介质损耗必须得到控制，否则谐振器的Q值会受到比较大的影响。通过在螺旋两端串接低损耗电容，使得电储能主要储于低介质损耗的电容中，而在相邻导体间的寄生电容较低而对谐振器的Q值影响很小。以上的优势可以极大程度提高无线功率传输系统的无线功率传输效率。通过合理安排各电容加载线圈的直径，可以使各电容加载线圈及中心驱动单元相互嵌套在一个平面上，实现了谐振器的平面化。其中，各电容加载线圈共振工作，即只要有电容加载线圈工作，所有电容加载线圈全部工作，且各电容加载线圈谐振在相同的频率。
本发明的一种嵌套电容加载线圈谐振器，多个分离的电容加载线圈共平面且共圆心，同时直径各不相同，通过采用近距离平面嵌套的方法来实现多重谐振，增大了嵌套线圈之间的非谐振耦合，从而大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。毗邻区边界可以通过仅有两个电容加载线圈的谐振器间的无线功率传输效率的仿真确定。采用多个相分离的电容加载线圈嵌套于谐振器中最大电容加载线圈的毗邻区，可以有效降低谐振器导体损耗从而提高谐振器的品质因数(Q值)，同时谐振器间的耦合系数下降较少，总体效果是提升了谐振器无线功率传输的效率。谐振器的Q值的提高除了可以通过增加嵌套线圈的个数降低导体损耗来实现，还需要对谐振频率进行优化。随着谐振频率的提高，线圈的辐射损耗会快速增大，从而使谐振器的Q值下降。如果给定谐振器中各谐振单元的几何尺寸，有存在一个最优的谐振频率，使谐振器的无线功率传输效率最高。谐振频率高于最优谐振频率继续增加，会使辐射损耗明显增加。为有效控制辐射损耗，嵌套电容加载线圈谐振器的共振频率与所述最大半径电容加载导体线圈的半径之积小于0.8×107m.Hz。利用加载电容来调节谐振频率，使各电容加载线圈有几乎相同的自谐振频率的同时将谐振器的谐振频率调整至最优值。由于在这个过程中不会改变谐振器间的耦合系数，打破了谐振器关键参数对其性能的制约，同时实现了谐振器的高品质因数、高耦合系数和远小于传统三维谐振器的体积。
进一步地，为多个具有较高Q值的独立的金属线圈加载不同大小的电容以实现相同的谐振频率从工业角度来看是不可能的，因为商用的低损耗电容都有1％-5％的容差，而高精度的电容很难获得，并且价格昂贵，而本技术方案采用近距离嵌套的方法实现共振，通过增大嵌套线圈之间的非谐振耦合，大大降低了对加载的低损耗电容的电容值精度的要求，普通商用的具有1％容差的低损耗电容已经可以很好的应用在本发明的谐振器中，相对采用更高精度电容加载的情形仅有轻微的性能损失。近距离嵌套的方法通过共同的磁链将各自独立的电容加载线圈联系起来，使得线圈与线圈之间耦合得非常强烈，从而形成一定的并联关系，这意味着即使加载电容不能使每个线圈刚好谐振在完全相同频率或是比较接近的频率，非谐振耦合依然能将它们联合起来产生唯一的谐振频率。由于谐振耦合在谐振中依然扮演着重要的角色，当每个电容加载线圈的谐振频率与其它电容加载线圈非常接近时，谐振器的谐振将达到最高水平，功率传输也达到最高效率。
本发明的一种嵌套电容加载线圈谐振器，所述电容加载线圈可以是自由空间中的电容加载线圈，其中，所述自由空间中的线圈可由截面为圆形或其他截面形状的导线绕制而成，亦可由薄金属带绕制而成。所述电容加载线圈也可以是印刷电路板(PCB)上的电容加载线圈。对于PCB板上印刷的一般的平面螺旋谐振器，当使用损耗较大的介质基板时，比如基板FR4，功率传输效率会大大降低，而对于具有电容加载的印刷线圈谐振器，通过采用嵌套结构和低损耗电容加载，绝大部分的电能存储在比使用的介质基板的介质损耗因数小很多的陶瓷电容器中，这意味着即使FR4被用作介质基板，集嵌套电容加载线圈谐振器依然能接近处于自由空间时的性能，使功率传输效率不用受到介质基板类型的制约。另外，印刷电路具有稳定、廉价、体积小等许多优势，用PCB印刷技术实现本发明的嵌套电容加载线圈谐振器，有利于减小谐振器占用的空间，节省成本并便于系统集成。
所述嵌套电容加载线圈谐振器采用在最大电容加载线圈的毗邻区内嵌套有多个分离的电容加载线圈的新型结构，利用集总电容来调节谐振频率，几乎不用改变互感系数就能将谐振频率调整至最优值。打破了谐振器的关键参数，即耦合系数、品质因数和谐振频率对其性能的制约，使谐振器的性能大幅度提高，增加了功率传输效率。另外，设定中心驱动单元与多个分离的电容加载线圈共平面且共圆心，最大限度地利用了谐振器所占据的二维空间，通过共同的磁链将各自独立的电容加载线圈联系起来，相对于传统的平面螺旋谐振器而言显著提升了品质因数，从而做到更远距离的能量传输。
本发明的一种嵌套电容加载线圈谐振器，通过采用在最大直径的电容加载线圈的特殊毗邻区内平面嵌套多个电容加载线圈的方法来实现多谐振单元共振，提高谐振器功率传输的效率，并增大了嵌套线圈之间的非谐振耦合，并大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。为使整个谐振器有唯一的谐振频率，每个线圈需要有几乎相同的自谐振频率，而相同的自谐振频率需要通过加载不同大小的电容来实现，因此每个线圈必须加载不同大小的电容。一般地，为多个具有较高Q值的电容加载线圈加载不同大小的电容以实现完全相同的自谐振频率从工业角度来看是不可能的，因为商用的低损耗电容都有1％-5％的容差，而高精度的电容很难获得，并且价格昂贵，而本技术方案采用边缘密集嵌套的方法实现多重谐振，通过增大嵌套线圈之间的非谐振耦合，大大降低了对加载的低损耗电容的电容值精度的要求，普通商用的具有1％容差的低损耗电容已经可以很好的应用在本发明的谐振器中，相对采用更高精度电容加载的情形仅有轻微的性能损失。近距离平面嵌套的方法通过共同的磁链将各自独立的电容加载线圈联系起来，使得各谐振单元之间耦合得非常强烈，从而形成一定的并联关系，这意味着即使加载电容不能使每个线圈刚好谐振在完全相同的频率，非谐振耦合依然能将它们联合起来产生唯一的谐振频率。由于谐振耦合在谐振中依然扮演着重要的角色，当各谐振单元的谐振频率非常接近时，谐振器的谐振将达到最高水平，无线功率传输也达到最高效率。
图3和图4是本发明的实施例的边缘密集嵌套电容加载线圈谐振器的毗邻区的截面图。最外侧导线3，最大线圈毗邻区4边界可以通过谐振器间的无线功率传输效率的仿真确定。可以选择特殊尺寸的发明实例进行仿真，但所得结果对任意尺寸的实例均成立。可以得到特殊毗邻区在谐振器最大线圈所在平面的截面为环型，环的径向宽度约为0.32倍最大线圈的外半径。同时可以得到能够提升无线功率传输效率的嵌套区域在与谐振器所处平面垂直且通过线圈中心的平面的截面近似为矩形，与线圈平面垂直方向的边长为1倍最大谐振单元的半径。
本发明的一种嵌套电容加载线圈谐振器，解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，采用多金属线圈边缘嵌套及电容加载结构，打破了谐振器的耦合系数、品质因数及谐振频率对性能的制约，从而使传输效率大幅度提高，优化了谐振器的性能。需要指出的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：包括谐振单元和驱动单元，所述谐振单元包括多个相分离的电容加载导体线圈，所述多个相分离的电容加载导体线圈具有相同或相近的固有谐振频率，所述电容加载导体线圈包括一个不少于两匝的导体线圈和与线圈两端相连的加载电容，所述驱动单元包括端口和至少一匝的线圈，所述端口与线圈相连，所述驱动单元间隔围设于谐振单元外侧或者谐振单元间隔围设于驱动单元外侧。所述电容加载导体线圈中除去半径最大的电容加载导体线圈外，其他多个电容加载线圈嵌套设置在半径最大的电容加载导体线圈的毗邻区内，所述毗邻区为靠近所述半径最大的电容加载线圈内侧方向，且径向宽度为半径最大的电容加载导体线圈半径的0.32倍，其与半径最大的电容加载线圈的平面垂直方向，且到最大的电容加载线圈的平面距离为最大线圈的半径的0倍至0.5倍的区域。
2.根据权利要求1所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述最大半径的电容加载导体线圈与位于毗邻区中的其他多个电容加载导体线圈的表面积总和，占所有嵌套电容加载线圈谐振器的表面积的2/3以上。
3.根据权利要求1或2所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述电容加载线圈谐振器的共振频率与最大半径电容加载导体线圈的半径之积小于0.8×107m·Hz。
4.根据权利要求1所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述电容加载导体线圈采用不同半径，所述电容加载导体线圈的两圈中间无其他任意电容加载导体线圈的导线。
5.根据权利要求1所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述线圈由截面包括圆形的导线，薄金属带或其他截面形状的导线绕制而成。
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